CN110601578A - 一种最近电平等效的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于最近电平等效的空间矢量调制方法，属于电力电子技术领域。首先由最近电平调制原理直接算出三个调制点中离原点最近的矢量点，并由该点直接得到每一相在调制过程中的占空比。其次对所得出的三相占空比进行各自比较确认出最大占空比，中间占空比与最小占空比并进一步得出空间矢量中每一个作用矢量的占空比。最后由所给定的公式模型根据前面所得占空比排序序号自动产生矢量作用序列及开关管的脉冲序号。整个算法实现简单，具有较好的灵活性与扩展性，适用于工程应用。

Description

一种最近电平等效的空间矢量调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域。

背景技术

空间矢量调制技术(SVPWM)是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法, 在电力电子调制中已经被广泛应用。它的核心思想就是将变换器的不同开关状态作为基本 作用矢量，根据所选择的基本矢量及其特定的作用时间来合成参考矢量。相比普通的PWM 调制算法，它有很多突出的优点：电压的利用率高,易于数字化实现,输出波形质量好,接 近正弦,合理安排空间矢量,可以降低开关频率,减少开关损耗，此外利用SVPWM的冗余矢量可实现多电平变换器电压的平衡，可在算法基础上消除共模电压，可优化谐波特性，成本上大大减少。

目前现有的SVPWM算法有很多种。其中以二维90度坐标系为基础，通过大量乘除法及根号运算进行大扇区，小扇区的判别，在矢量作用时间计算与矢量的分配上仍包含着复杂运算与矢量的罗列，整个过程实现起来及其复杂，非常不易于扩展。随后，基于45度， 60度等相关的快速算法陆续提出，该些算法较传统90度算法来讲在扇区判断上进行较大程度的简化，省去复杂计算流程，在实现上进行了较大的简化。但在进行矢量分配上仍需对矢量进行一一罗列，仍然不易于扩展而且该些算法功能单一仅能实现参考矢量的基本合成， 对优化多电平变换器其他方面的性能没有突出贡献。

发明内容

本发明的目的是提供一种最近电平等效的空间矢量调制方法，它能有效地解决谐波含量 最小或开关损耗最小为优化目标实时产生所需开关序列与开关脉冲的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种最近电平等效的空间矢量调制方法，包括如下步骤：

步骤一、论证最近电平调制与空间矢量调制的内在联系

首先，定义三相参考电压为V_a*，V_b*和V_c*，则有：

式中，V_ref为总的参考电压矢量，e^j(*)代表90度的旋转因子，n为变换器电平数；

根据最近电平调制原则，每相参考电压矢量表达式为：

式中，W_x为每相输出电平数，D_x为每相输出占空比，x＝a，b与c；当每相输出电平数变化由W_x变化为W_x+1时，定义为升序调制；当每相输出电平数变化由W_x+1变化为W_x时， 定义为降序调制，V_dc为多电平变换器直流链电压；

其次，定义中间电压变量一为U_x，且由U加上(n-1)/2可得另一中间变量二为因此有：

式中，m为调制度；

当占空比为D_x时，对进行向上取整可得其向上取整变量为因此有：

式中，ceil(.)表示变量向上取整函数，D_x取值范围[0,1]，因此可得三个调制矢量中离原点最 近矢量的开关状态为：

令D_max＝max(D_a,D_b,D_c)，D_mid＝mid(D_a,D_b,D_c)，D_min＝min(D_a,D_b,D_c)，当以谐波含量最小为优化目标时且为升序调制时可得：

若为降序时可得：

式中，d₀₁,d₀₂为空间矢量调制中两个作用零矢量占空比；d₁与d₂为除零矢量外其余两个工 作矢量占空比；

步骤二、自动生成开关序列

令变量k取值为当D_c≥D_b≥D_a时，k＝1；D_b≥D_c≥D_a时，k＝2；D_c≥D_a≥D_b时， k＝3；D_a≥D_c≥D_b时，k＝4；D_b≥D_a≥D_c时，k＝5；D_a≥D_b≥D_c时，k＝6；

其次，定义数组p＝(p[1],p[2],p[3])，用其存储a，b与c三相的占空比大小位置；其中， p[1]对应着a相大小位置，p[2]对应着b相大小位置，p[3]对应着c相大小位置。而D_a,D_b与D_c大小关系有六种情况，因此，数组p也为6×3的矩阵；

令y与z同为3×7的矩阵，且y(i,5)＝y(i,3)；y(i,6)＝y(i,2)；y(i,7)＝y(i,1)以及z(1,1)＝S_a, z(2,1)＝S_b,z(3,1)＝S_c，令j₁为矩阵的某一列，可得开关序列为：

y(i,j)＝z(i,j₁)+1,for j₁＝(1+p(k,i)):4,i＝1:3 (7)

式中，i为矩阵的某一行；

步骤三、自动生成开关信号

构造系统开关信号矩阵B为m₁×n矩阵，其中m₁为每相开关管个数，n为系统输出电平数，可得系统输出开关信号矩阵表达式为：

由上所输出开关信号直接驱动二极管钳位多电平变换器的开关管的开通与关断。

本发明与现有技术相比的优点和效果：

1、计算简单，能适用于任意电平的变换器；

2、能自动产生开关序列与开关管的脉冲信号；

3、整个过程可自动满足多电平变换器谐波优化特性及开关损耗最小特性。

附图说明

图1是本发明所描述的三相二极管钳位五电平拓扑结构；

图2是本发明所提出的最近电平调制原理图；

图3是本发明所列传统空间矢量图；

图4是本发明整个算法的流程图

具体实施方式

如图所示：一种最近电平等效的空间矢量调制方法，包括如下步骤：

步骤一、论证最近电平调制与空间矢量调制的内在联系。多电平变换器拓扑结构如图 1所示。图中，S_a1～S_a8,S_b1～S_b8,S_c1～S_c8为变换器的开关器件；D_a1～D_a6,D_b1～D_b6,D_c1～D_c6为钳 位二极管；C₁～C₄为电容器；i_sa,i_sb,i_sc为三相电流。定义三相参考对变换器负端电压为V_a*,V_b* 和V_c*可得系统总的参考电压V_ref为：

式中，V_ref为总的参考电压矢量,n为多电平变换器电平数。

根据最近电平调制原则，每相参考电压矢量表达式为：

式中，W_x为每相输出电平数，D_x为每相输出占空比(x＝a,b与c)。当每相输出电平数变化 由W_x变化为W_x+1时定义为升序调制；当每相输出电平数变化由W_x+1变化为W_x时定义为降序调制，如图2所示。

其次，定义中间变量一U_x与中间变量二分别为：

式中，m为调制度。

定义每相占空比为D_x,对进行向上取整可得：

式中，D_x取值范围[0,1]。因此可得三个调制矢量中离原点最近矢量的开关状态为： 例如图3中，当参考矢量V_ref在空间矢量图旋转为圆形轨迹时，由式4 可得离原点最近矢量的开关状态依次为300→310→320→330→230→130→030。

令D_max＝max(D_a,D_b,D_c)，D_mid＝mid(D_a,D_b,D_c)，D_min＝min(D_a,D_b,D_c)。当以谐波含量最小为优化目标时且为升序调制时可得：

若为降序调制时可得：

式中，d₀₁,d₀₂为空间矢量调制中两个作用零矢量占空比；d₁与d₂为除零矢量外其余两个工 作矢量占空比。

步骤二、自动生成开关序列。令变量k取值为当D_c≥D_b≥D_a时，k＝1；D_b≥D_c≥D_a时，k＝2；D_c≥D_a≥D_b时，k＝3；D_a≥D_c≥D_b时，k＝4；D_b≥D_a≥D_c时，k＝5；D_a≥D_b≥D_c时，k＝6；其次定义数组p＝(p[1],p[2],p[3])，用其存储a,b与c三相的大小位置。其中，p[1] 对应着a相大小位置，p[2]对应着b相大小位置，p[3]对应着c相大小位置。而D_a,D_b与D_c大小关系有种情况，因此数组p也为6×3的矩阵。

令y与z同为3×7的矩阵且y(i,5)＝y(i,3)；y(i,6)＝y(i,2)；y(i,7)＝y(i,1)(其中，i为矩阵 的某一行)以及z(1,1)＝S_a,z(2,1)＝S_b,z(3,1)＝S_c。令j为矩阵的某一列，可得开关序列为

y(i,j)＝z(i,j)+1,for j＝(1+p(k,i)):4,i＝1:3 (7)

例如，当参考矢量位于如图3所示，此时当所检测矢量的开关状态为(2,3,0)时，若D_a≥D_b≥D_c,由式(7)可知开关序列为(2,3,0)→(3,3,0)→(3,4,0)→(3,4,1)。再根据y(i,5)＝y(i,3)；y(i,6) ＝y(i,2)；y(i,7)＝y(i,1)，可得最终的七段式序列为(2,3,0)→(3,3,0)→(3,4,0)→(3,4,1)→(3,4,0) →(3,3,0)→(2,3,0)。

步骤三、自动生成开关信号

构造系统开关信号矩阵B为m×n矩阵，其中m为每相开关管个数，n为系统输出电平数。可得系统输出开关信号矩阵表达式为：

例如当系统为五电平多电平变换器时，m＝8,n＝5。此时B(5,1)到B(8,1),B(4,2)到B(7,2), B(3,3)到B(6,3),B(2,4)到B(5,4),B(1,5)到B(4,5)都为1，其余的都为0。

由上所输出1与0等开关信号直接驱动二极管钳位多电平变换器的开关管的开通与关 断。

Claims (1)

1.一种最近电平等效的空间矢量调制方法，包括如下步骤：

步骤一、论证最近电平调制与空间矢量调制的内在联系：

首先，定义三相参考电压为V_a*，V_b*和V_c*，则有

式中，V_ref为总的参考电压矢量，e^j(*)代表90度的旋转因子，n为变换器电平数；

根据最近电平调制原则，每相参考电压矢量表达式为：

式中，W_x为每相输出电平数，D_x为每相输出占空比，x＝a，b与c；当每相输出电平数变化由W_x变化为W_x+1时，定义为升序调制；当每相输出电平数变化由W_x+1变化为W_x时，定义为降序调制，V_dc为多电平变换器直流链电压；

其次，定义中间电压变量一为U_x，且由U加上(n-1)/2可得另一中间变量二为因此有：

式中，m为调制度；

当占空比为D_x时，对进行向上取整可得其向上取整变量为因此有：

式中，ceil(.)表示变量向上取整函数，D_x取值范围[0,1]，因此可得三个调制矢量中离原点最近矢量的开关状态为：

令D_max＝max(D_a,D_b,D_c)，D_mid＝mid(D_a,D_b,D_c)，D_min＝min(D_a,D_b,D_c)，当以谐波含量最小为优化目标时且为升序调制时可得：

若为降序时可得：

式中，d₀₁,d₀₂为空间矢量调制中两个作用零矢量占空比；d₁与d₂为除零矢量外其余两个工作矢量占空比；

步骤二、自动生成开关序列

令变量k取值为当D_c≥D_b≥D_a时，k＝1；D_b≥D_c≥D_a时，k＝2；D_c≥D_a≥D_b时，k＝3；D_a≥D_c≥D_b时，k＝4；D_b≥D_a≥D_c时，k＝5；D_a≥D_b≥D_c时，k＝6；

其次，定义数组p＝(p[1],p[2],p[3])，用其存储a，b与c三相的占空比大小位置；其中，p[1]对应着a相大小位置，p[2]对应着b相大小位置，p[3]对应着c相大小位置；而D_a,D_b与D_c大小关系有六种情况，因此，数组p也为6×3的矩阵；

令y与z同为3×7的矩阵，且y(i,5)＝y(i,3)；y(i,6)＝y(i,2)；y(i,7)＝y(i,1)以及z(1,1)＝S_a,z(2,1)＝S_b,z(3,1)＝S_c，令j₁为矩阵的某一列，可得开关序列为：

y(i,j)＝z(i,j₁)+1,for j₁＝(1+p(k,i)):4,i＝1:3 (7)

式中，i为矩阵的某一行；

步骤三、自动生成开关信号

构造系统开关信号矩阵B为m₁×n矩阵，其中m₁为每相开关管个数，n为系统输出电平数，可得系统输出开关信号矩阵表达式为：

由上所输出开关信号直接驱动二极管钳位多电平变换器的开关管的开通与关断。